Основание церкви исследователи относят к XI–XIV вв. По мнению исследователей, явное подражание правильным формам наземной архитектуры указывает, скорее, на поздневизантийское время. Пещерный комплекс, включающий церковь с фресками (XIII в.), открыт в 2005 г. киевскими археологами Т.А. Бобровским и Е.Е. Чуевой, продолжающими его исследование. Локализован в труднодоступном верхнем ярусе южного обрыва Загайтанской скалы, что в большой степени определило его сохранность; пещерные помещения располагались на разных уровнях и соединялись между собой лестничными проходами, к 2009 г. обрушившимися. Небольшая церковь (5х2,5х3 м) находится в глубине большого естественного скального грота на высоте 20–25 м от «подошвы» скалы, состоит из прямоугольного наоса и подковообразной алтарной апсиды с нишей-жертвенником; сохранились пазы для установки каменного престола и деревянной алтарной преграды. Стены и свод церкви были оштукатурены и покрыты фресковыми росписями, общая площадь сохранившихся фрагментов около 15 кв. м. Фрески в алтарной апсиде расположены тремя регистрами, отделёнными красными линиями: в конхе помещён Деисус с нетрадиционным иконографическим типом Христа Еммануила, в среднем регистре – сцена «Вознесение», в нижнем – святительский чин. На южной стене наоса – «Рождество Христово», «Крещение», «Сретение»; на западной стене – «Успение»; на северной стене – «Преображение», «Распятие», «Сошествие во ад»; в северо-западной части наоса, непосредственно перед алтарной аркой, – медальон с изображением Христа Ветхого денми. Несмотря на то что сохранность фресок и степень их расчистки от наслоений позволяют исследователям сделать только предварительные выводы, исследователи справедливо считают открытую роспись выдающимся памятником монументального искусства византийской эпохи второй половины XIII в. Среди больше сотни остальных пещер Загайтанской скалы есть скальное основание ещё одного полупещерного храма. Монастырь Святой Софии высечен в северо-западной стороне Каменоломной балки, вблизи железнодорожной станции Инкерман-I. Он включал около 20 искусственных пещерных помещений, расположенных в два – три яруса, в том числе несколько храмов. В XVIII в. храм Святой Софии обозначил на карте «Ахтиярской гавани» И. Батурин (1773 г.), в XIX–ХХI вв. его описывали П.С. Паллас, З.А. Аркас, Д.М. Струков, А.Л. Бертье-Делагард, Ю.М. Могаричев, Т.А. Бобровский, Е.Е. Чуева и другие авторы. В древности храм имел два входа (сохранился один): со стороны реки Чёрной и Каменоломной балки. Главный (Большой) храм расположен во втором ярусе, в плане крестовидный (10,4х8,7х5,5 м), в центре плоского потолка высечен рельефный крест, в полукруглой алтарной апсиде было три окна, в полу наоса сохранилась гробница; в конце XVIII в. апсида и часть северной стены обрушились. Лучшим по сохранности исследователи считают храм №3 (5х3,2х4,3 м). Алтарная апсида храма полукруглая; примыкающий к стене престол и алтарная преграда скальные; в полу вырублено пять гробниц; на стенах сохранились следы фресок, над гробницей – неразборчивая надпись, над престолом – окно. Нижнюю дату храма исследователи относят к XII–XIII вв. и определяют его как парекклисион.